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Licence Pro Métrologie et Qualité de la Mesure

CAPTEURS DE RAYONNEMENTS
NUCLEAIRES

Métrologie - Physique

1
CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES
PLAN DU COURS
I - Les rayonnements "nucléaires"
1 - Notions de physique nucléaire
2 - Interactions des photons gamma avec la matière
3 - Pertes en énergie des particules chargées
II - Les détecteurs à gaz
1 - Les chambres d’ionisation
2 - Les compteurs proportionnel
3 - Les compteurs Geiger-Mueller
III - Les scintillateurs
1 - Principe
2 - Les scintillateurs organiques
3 - Les scintillateurs inorganiques
4 - Les photomultiplicateurs
IV - Les détecteurs à semi-conducteur
1 - Principe
2 - Les détecteurs
V - Acquisition et analyseurs multi-canaux
1 - La chaîne d’acquisition
2 - L’analyseur multi-canaux
VI - Mesures
1 - Le bruit de fond
2 - La statistique de comptage
VII - Applications
1 - Mesures de flux
2 - Imagerie X et gamma
3 - Notions de radioprotection

2
I - Les rayonnements  "nucléaires"

neutron

1 - Notions de Physique nucléaire
proton
A - Le noyau de l’atome
a - Notation et définition
- X : symbole de l’élément
- A : nombre de masse (A = Z + N)
- Z : numéro atomique
- N : nombre de neutrons
- e = {gs, *, m, …} ; état du noyau
- Deux éléments sont :
• des isobares => A identique
• des isotopes => Z identique
• des isotones => N identique

noyau

Ex. 12C*, 22Na, 60Co,

Al

26m

b - Energie de masse et masse atomique
MAX c2 = Z M1H c2 + N Mn c2 - B(A,Z)
avec B(A,Z) l’énergie de liaison
Unités de masse atomique : M12C = 12 u = 12 g/mole
Nombre d’atomes AX dans une masse mAX : nAX = NA mAX/MAX
Masse molaire d’un élément naturel : MX = ∑A aA MAX
aA : abondance isotopique
Ex. Bore, 19.8% 10B et 80.2% 11B

3
Mc2

B - La radioactivité

Noyau instable (T1/2 petit)
A constant

a - Vallée de la stabilité
Z
Noyau stable (T1/2 grand)

noyaux + riches
en neutrons

T1/2 : période de demi-vie de l’élément

noyaux + riches
en protons

4
b - Les décroissances radioactives β-

• Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons.
A l’intérieur de ces noyaux, un neutron se
transforme en proton en émettant un électron
(particule β-) et un anti-neutrino.
• L’énergie cinétique de l’électron émis est de
l’ordre de la centaine de keV à quelques MeV.
Rappel : 1 eV = 1,6 x 10

-19

J.

E = Mc2
Co

60

99.88%
0.12%

γ2

E2 = 2505.7 keV
E1 = 1332.5 keV

γ1

E0 = 0 keV

• Après cette transformation (décroissance
60
Ni
radioactive), le noyau se retrouve quelquefois dans
un état excité. Il se désexcite en émettant un ou
Ex. 60Co
plusieurs photons (voir ex. décroissance du 60Co).
=> Energie des photons :
Eγ1 = 1332.5 keV
• L’énergie de ces photons est dans le domaine
Eγ2 = 2505.7 - 1332.5 = 1173.2 keV
10 keV - 10 MeV. Ce sont des photons gamma.
=> Intensité relative des raies (par
décroissance)
Iγ1 = 99.88 + 0.12 = 100%
Iγ2 = 99.88%

5
c - Les décroissances radioactives β+
• Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons.
A l’intérieur de ces noyaux, un proton se transforme en
neutron en émettant un positron (particule β+) et un
neutrino.

E = Mc2
Al

26m

• L’énergie cinétique du positron émis est de l’ordre de la
centaine de keV à quelques MeV.

Al

26

100%

• Tout comme pour la décroissance β-, après une
décroissance radioactive β+, le noyau peut se retrouver
quelquefois dans un état excité. Il se désexcite en
émettant un ou plusieurs photons gamma.

E0 = 0 keV

Mg

26

• Le positron est l’anti-particule de l’électron, il
s’annihile avec celui-ci en émettant 2 photons γ :
• e+ + e-

γ+γ

avec

e+

γ

Eγ = mec2 = 511 keV

• Une source β+ émet des photons à 511 keV

γ

e6
d - La capture électronique
• Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons.
A l’intérieur de ces noyaux, un électron de l’atome
interagit avec un proton du noyau pour produire un
neutron et un neutrino.
• Ce mode de décroissance est parfois en
compétition
avec
la
décroissance
β+
(Ex.
décroissance du 22Na)
• L’atome fils a perdu un électron
ré-arrangement des couches électroniques
émission X

E
Na

22

9.7%
E1 = 1274.5 keV

γ
E0 = 0 keV

90.2%
0.1%

Ne

22

Ex. 22Na
-> Eγ = 1274.5 keV
-> Iγ = 99.9%
-> Iβ+ = 90.3%
=> Iγ511keV = 180.6%
-> IX = 9.7%
Electron Auger : Dans certains cas, l’énergie
du photon X est cédée à un électron de la
couche L ou M
=> Ee-Auger = EX - EL
7
e - Autres décroissances
- Décroissance α :
Ce type de décroissance apparaît pour des noyaux
trop lourds. Ces noyaux se dirigent vers la stabilité
en émettant une particule α dont l’énergie cinétique
est de quelques MeV.
N.B. la particule α est le noyau de l’hélium.
Exemple :

241

Am

E
α4
E4

Am

241

E3

Niveaux Eα (keV) I (%)
0
1
2
3
4

5544.5
5511.5
5485.6
5442.8
5388.2

0.34
0.22
84.5
13.0
1.6

E2= 59 keV
E1
E0

α0
Np

237

Remarque : 241Am aussi utilisé comme
source de photons à 59 keV

- Décroissance par émission de p, de n…
- Fission spontanée : Ex.

Cf ->

252

Xe +

140

Ru + 4 n

108

8
f - Taux de décroissances
- Variation du nombre de noyaux radioactifs :
avec
τ : période ou vie moyenne
λ : constante de décroissance
λN : activité (nombre de décroissances par seconde) unité becquerel (Bq)
Equation différentielle du 1er ordre
avec T1/2 la demi-vie du radioélément
T1/2 = τ ln(2)

N(t) = N(0) e-t/τ = N(0) 2-t/T1/2

- Activité : A(t) = - dN/dt = N(t)/τ
C’est le taux de décroissances par seconde
- Taux d’émission de particules i
Ri = dNi/dt = pi A(t)
pi : probabilité d’émission de i

Co (T1/2= 271.79 j)

57

136 keV

11% 89%

EC

14 keV
0 keV

Fe

57

9
2 - Interaction des photons gamma avec la matière
A - L’effet photoélectrique
• Le photon cède toute son énergie à un
électron. A ces énergies, les photons
interagissent principalement avec les électrons
des couches internes (K, L).
• Un électron des couches supérieures vient
combler le trou produit par l’éjection de
l’électron
émission d’un photon X

Ee- = Eγ - ELiaison
Processus dominant aux basses énergies
Eγ < 200 keV
10
B - Diffusion Compton

γ’

• Le photon cède une partie de son énergie à un
électron
(principalement)
des
couches
externes de l’atome (considéré comme libre).
• Il s’agit d’une interaction élastique. A partir
des lois de conservation de l’énergie et de la
quantité de mouvement on montre :

γ

Processus dominant aux énergies intermédiaires

• La probabilité de diffuser avec un
certain angle θ dépend de l’énergie des
photons incidents. Les photons de
haute énergie diffusent plutôt avec de
faibles angles.

11
La longueur du trait correspond à la probabilité
de diffusion suivant un angle θ
C - Création de paire e+ e• Le photon se matérialise en une paire électron positron.

γ

• L’énergie électromagnétique se transforme en énergie de
masse et en énergie cinétique. Pour des raisons de
conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie, ce
processus ne peut se produire :
(1) qu’au voisinage d’un noyau d’atome
(2) que si l’énergie du photon > 2 mec2 = 1022 keV
Processus dominant aux hautes énergies
Généralement, après avoir perdu son énergie cinétique, le positron s’annihile avec un
électron en produisant 2 photons γ d’énergie Eγ = mec2 = 511 keV.

e+

γ

γ
e-

12
D - Coefficient d’atténuation
• La probabilité qu’un γ interagisse sur un
parcours infiniment petit dx est : µ dx avec
µ le coefficient d’atténuation linéïque
µ = ψ + σ + κ
• La variation du nombre de photons d’énergie
donnée est :

µ
ψ

σ

κ

avec λ le libre parcours moyen.
détecteur

source

- coefficient d’atténuation massique : ξ = µ/ρ
avec ρ la masse volumique du matériau (g/cm3)
unités : cm2/g
utile si la densité du matériau varie (ex. gaz)

x
13
3 - Pertes en énergies des particules chargées
A - Les électrons rapides
a - Interactions des électrons
- Interactions coulombiennes
Ionisation et excitation d’atome
e- + X -> e- + X+ + ee- + X -> e- + X*
- Rayonnement de freinage
(appelé aussi bremsstrahlung)
e- + X -> e- + X + γ
principe des générateurs
de rayons X.

14
c - Parcours des électrons ("range")
La trajectoire des électrons dans la matière est
erratique.
I(t) : taux d’électrons arrivant sur le détecteur
après avoir traversé une épaisseur t.

Re : parcours ("range")
Ex. dans le NaI (ρ = 3.67 g/cm3)
Re(1MeV) ≈ 0.2 cm
dans le Si (ρ = 2.33 g/cm3)
Re(1MeV) ≈ 0.3 cm
pour l’air, Re (1 MeV) ~ 6 m

15
B - Les particules lourdes chargées
a - Interactions des particules lourdes chargées
- Interactions coulombiennes
Ionisation et excitation d’atome
α + X -> α + X+ + eα + X -> α + X*

Perte en énergie spécifique des α dans l’air

- Réactions nucléaires (rare)
α + X -> Y + z

b - Pertes en énergie par unité de longueur
S : pouvoir d’arrêt linéaire ou perte en énergie spécifique
S = -dE/dx

16
c - Parcours des particules "lourdes"
Trajectoire plutôt rectiligne
I(t) : taux de particules arrivant sur le détecteur
après avoir traversé une épaisseur t.

Parcours des particules α
dans différents matériaux

17
II - Les détecteurs à gaz
1 - Les chambres d’ionisation
A - Principe

γ

• Les particules chargées ou les photons créent
des paires ion-e- dans le gaz. Le nombre de
paires N± est proportionnel à Ed l’énergie
déposée par la particule ionisante.

I

Cathode

βAnode

• N± ≈ Ed / W
• Les charges issues de l’ionisation sont
collectées en appliquant un champ électrique sur
les électrodes.
Mode impulsionnel : mesure de Q = e N±
proportionnel à l’énergie déposée par une
particule (spectroscopie).
Mode continu : mesure du courant I
proportionnel au taux de radiations.
I = e dN±/dt ≈ e dNrad/dt <Ed>/W

Gaz

W (eV/paire)
e- rapides
α

Ar
He
Air
CH4

26.4
41.3
33.8
27.3

26.3
42.7
35.1
29.1
18
B - collection des charges
- Si le champ électrique n’est pas suffisant les
ions peuvent se recombiner
e- + X+ -> X
e- + Y -> Y- puis Y- + X+ -> Y + X
-> dans la colonne d’ionisation
-> dans le volume
Pertes de charges
courant I faible

I
+
+ - + - + +- + - + +-+
- +
+++
-+ ++ - +
+
+ + -+
- +- +
+
+

E = V/d

- Si le champ E est suffisant, les ions n’ont pas le
temps de se recombiner.
toutes les charges sont collectées.
I = e dN±/dt ∝ dNrad/dt
- Temps de collection des charges :
Dépend de la pression et du champ électrique pour
P=1 atm et E=104 V/m
temps de transit des ions (d=1 cm) ≈ 10 ms
temps de transit des e- (d=1 cm) ≈ 1 µs
19
C - Mesure d’impulsions
Utilisé en spectroscopie (obsolète)
∆Q = e N± = e Edep/W
∆V = ∆Q/C
Conditions :
- RC >> temps de collection des charges
- RC << 1/fréquence d’arrivée des particules

D - Applications
• Moniteur de radiation en radioprotection
sensible aux X et γ (E>20 keV)
mesure directe du taux d’exposition
R en C/(kg s) : R = I/Mair
• Calibration de sources radioactives
• Mesure de l’activité de gaz radioactifs
20
2 - Les compteurs proportionnels

les charges supplémentaires
modifient E

A - Principe
- Si le champ électrique E > 106 V/m les électrons
secondaires produisent une avalanche de paires e-ions
e- + X -> e- + X+ + e-

chambre
d’ionisation

multiplication par M des charges
Q = M e N± = M e Ed / W
mode impulsionnel
- Géométrie cylindrique
Champs électrique : E(r) = V/[r ln(Rc/Ra)]
Ex. V = 2000 V, Ra = 80 µm, Rc = 1 cm
=> E(Ra) ≈ 5 x 106 V/m

21
B - Caractéristiques et performances
- Gaz utilisés :
gaz avec faible coefficient d’attachement
des électrons (pour éviter e- + Y -> Y-)
gaz nobles (He, Ar, Ne, Kr, Xe)
mélange 90% argon et 10% méthane
- Facteur multiplicatif dépend de la géométrie, de la
pression et de la tension d’alimentation : M ∝ exp(V)
- Les impulsions en tension :
Elles sont exponentielles avec un temps de monté
égal au temps de collection des charges τc ≈ µs et
une échelle de temps de décroissance
τ = RC.
Condition : τ >> τc
- La hauteur des impulsions Vmax = Q/C
Vmax ∝ Ed (énergie déposée par la particule)
spectroscopie

22
- Résolution en énergie
Elle est limitée par les fluctuations statistiques du nombre de charges initialement produit par le
rayonnement et par les fluctuations statistiques du facteur multiplicatif.
On montre : ∆E ∝ √E
Mesures : ∆E/E ≈ 11 à 13% à 5.9 keV

- Efficacité de détection : εd = (nombre d’impulsions détectées) / (nombre de γ incidents)
L’efficacité de détection dépend de l’énergie, du gaz
utilisé et de la nature & de l’épaisseur des parois de
l’enceinte.
Domaine en énergie : 0.25 - 100 keV
Processus dominant : effet photoélectrique

23
3 - Les compteurs Geiger-Mueller
les charges supplémentaires
modifient E

A - Principe
• Tension plus grande que les compteurs proportionnels.
• Facteur multiplicatif/avalanche ≈ 106 - 108
• Grande quantité de charges secondaires/avalanche
(a) excitation des atomes
- photons UV
- avalanches secondaires
(b) écrantage du champ électrique

chambre
d’ionisation

La quantité de charges collectées ≈
109 - 1010 est indépendante de
l’énergie déposée par la particule
initiale.
24
B - Mise en œuvre et performances
- Gaz : gaz nobles (He, Ar, Xe, Kr)
pression ≈ 0.1 atm.
- Impulsion : le temps de collection des charges est
de l’ordre de quelques µs.
=> µs << RC << 100 µs pour éviter la saturation

C - Application
- compteurs de particules chargées :
pour les particules qui traversent
l’enceinte (efficacité de 100%).
- compteurs de gamma
Rq: incertitude d’un facteur 2 ou 3 sur le
taux d’exposition.

"Sensibilité" de 2 moniteurs de rayons γ
/! "Sensibilité" = Rmesuré / Rréel
facteur de correction du taux d’exposition en
fonction de l’énergie des photons.
25
III - Les scintillateurs
1 - Principe
Dans le scintillateur, les particules chargées produisent
des photons de scintillation. Les photons de scintillation qui
atteignent la photocathode génèrent des électrons
(photoélectrons)
par
effet
photoélectrique.
Ces
photoélectrons déclenchent une cascade d’électrons dans
le photomultiplicateur (PM).
Le signal est une quantité de charge Q récupérée sur
l’anode du PM.

γ

scintillateur

photons de
scintillation

photocathode

photoélectron
dynodes

photomultiplicateur
(PM)

+HV

Q ∝ Nphotoélectrons ∝ Nphotonscintillation ∝ Edéposée
anode

Le scintillateur doit :
- convertir efficacement l’énergie déposée en photons de scintillation
- être transparent aux longueurs d’onde des photons de scintillation
- avoir un indice de réfraction ~1.5 pour transmettre les photons de scintillation au PM

Signal (Q)

Le photomultiplicateur doit :
- convertir efficacement les photons de scintillation en photoélectrons au niveau de la photocathode
- produire une quantité de charge par photoélectron suffisante pour donner un signal mesurable.
26
2 - Les scintillateurs organiques

0.7

Matériaux composés de H, C, O (ex. Anthracène C14H10, plastique…) de
faibles densités (~1 g/cm3) sous forme de solide, de gel ou de liquide.

• Production de lumière ("Light output")

L ≈ Nϕ hc/<λ>
Le nombre de photons de scintillation (Nϕ) est proportionnel à
l’énergie déposée.

Naton 136
0.5

NE 102A

fluorescence

0

0.4
I/I

Les particules chargées de haute énergie perdent leur énergie en
excitant les molécules du scintillateur organique. Ces molécules se
désexcitent avec une constante de temps de quelques nanosecondes
en émettant des photons de scintillation (fluorescence) dans le
domaine du visible.

NE 111

0.6

0.3
0.2
0.1
0
0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

temps (ns)

Taux d’émission de
photons de scintillation
en fonction du temps

• Efficacité de scintillation

S = L/E
S ~2-6% à peu près constante pour les électrons (E > 0.1 MeV).
• Application : ces matériaux sont légers (HCO)
Les scintillateurs sont plutôt utilisés pour détecter les particules
chargées.

27
• Exemple d’utilisation de scintillateur organique
Télescope à muons avec deux scintillateurs
plastiques

28
3 - Les scintillateurs inorganiques
Matériaux cristallins relativement denses (de 2.5 à 7.1 g/cm3) avec ajout d’impuretés. Exemples : NaI(Tl),
CsI(Na), BGO...
Les particules chargées de haute énergie perdent leur énergie en excitant le cristal. Les photons de
scintillation sont émis dans les désexcitations avec des échelles de temps de ≈ 0.1 µs.

Spectre en émission de plusieurs scintillateurs inorganiques

Réponses spectrales de photomultiplicateurs

29
Performances des scintillateurs inorganiques
• Efficacité de scintillation (S = L/E)
Elle est généralement 2 à 10 fois meilleure que les
scintillateurs organiques.
• Temps de décroissance (τ)
Ces scintillateurs sont ~10 à 1000 fois plus lents
que les scintillateurs organiques.
• Propriétés de scintillateurs inorganiques communs

Matériau ρ(g/cm3)

λmax(nm)

τ(µs)

Nϕ/MeV

S(%)

NaI(Tl)
CsI(Tl)
CsI(Na)
LiI(Eu)
BGO

3.67
4.51
4.51
4.08
7.13

415
540
420
470
505

0.23
1.00
0.63
1.40
0.30

38000
52000
39000
11000
8200

11.3
11.9
11.4
2.8
2.1

NE102A

1.03

423

0.002

10000

3.0

Scintillateur plastique pour comparaison

30
• Efficacité :
εp : efficacité de pic ou d’absorption totale
εp = Na / Ni
Na : nombre de photons totalement absorbés dans le volume
sensible et Ni, nombre de photons incidents.
εap : efficacité absolue de pic ou d’absorption totale
εap = Na / Ne
Ne le nombre de photons émis par la source.

Coefficient d’atténuation
effet photoélectrique

­1

coefficient d'atténuation linéaire (cm
)

Les scintillateurs inorganiques absorbent assez bien l’énergie des
photons gamma grâce à leur grande densité et valeur du coefficient
d’atténuation linéique. Ils ont donc une bonne efficacité de pic et
sont utilisés en spectroscopie gamma.

diffusion Compton

2

10

création de paire
Total NaI
Total NE 102A

101

100

10­1

10­2 ­2
10

10­1

100

Energy (MeV)

101

Co

60

Le NaI sert de standard pour la calibration en efficacité de pic.
- Source : 60Co (1332 keV)
- Distance source-scintillateur : 25 cm
- Taille du scintillateur de référence : 76.2 mm x 76.2 mm (3 in. x 3 in.)
=> εap, ref = 1.2 x 10-3

25 cm

εrp : efficacité relative de pic ou d’absorption totale d’un détecteur
εrp = εap(1332 keV, 25 cm) / εap, ref

31
4 - Les photomultiplicateurs
• Une fraction f des Nϕ photons de scintillation va atteindre la photocathode. Le nombre de photoélectrons produits
par effet photoélectrique dans la photocathode est : Nϕe = εQ f Nϕ avec εQ est l’efficacité quantique (εQ ≈ dizaines
de %)
• Les photoélectrons sont accélérés
Les photoélectrons produisent dans
dynode. Les électrons secondaires
l’anode, le nombre de charge est : Q

et amenés vers une première dynode par un système d’électrodes focalisantes.
la première dynode δ électrons secondaires qui sont accélérés vers la seconde
produisent eux aussi chacun δ électrons sur la dynode suivante. Au niveau de
= G Nϕe ≈ δn Nϕe
Tension à la sortie du photomultiplicateur

• n : nombre de dynodes, δ ~ 5-55, gain G ≈ 103 - 107

~ +100 V

Vmax

Dans les deux cas
∝ Q ∝ Energie déposée par la particule

32
IV - Les détecteurs à semi-conducteur
1 - Principe
• Un photon γ cède la totalité ou une partie de son énergie à un ou
plusieurs électrons. Ces derniers créent par collision des paires
électrons-trous dans le semi-conducteur. Ces charges sont collectées
par un champs électrique. La quantité de charges obtenues est
proportionnelle à l’énergie déposée par le photon incident.

Q ∝ Ncharges ∝ Edéposée

• Pour pouvoir collecter les charges il faut
appliquer une haute tension aux bornes du
semi-conducteur.
• L’avantage d’un tel détecteur est que pour un
dépôt en énergie identique, le nombre de
porteurs d’information (paires electrons-trous)
est plus important que pour les scintillateurs
(nombre de photoélectrons).

Exemple :
εNaI = 170 eV/photoeεGe = 2.96 eV/trou-e∆E (Ge) / ∆E (NaI) ≈ 0.03

• L’incertitude relative (≈∆E/E) sur l’énergie
mesurée s’en trouve réduite.
• Utilisation en spectroscopie

33
2 - Les détecteurs
A - Détecteurs en silicium
• Caractéristiques
Si (Z = 14) :
ρ = 2.33 g/cm3
ε ≈ 3.62 eV
Disponible en couche mince

Diodes en Si
Détecteur en Si
strippé

• Performances
∆E ≈ 0.25 keV à 5.9 keV
Temps de montée des impulsions ≈ 100-500 ns
• Utilisation
- détecteurs X
- détection de particules chargées
- moniteur de radiations

34
B - Détecteurs en germanium
• Caractéristiques
Ge (Z = 32) :
ρ = 5.32 g/cm3
ε ≈ 2.96 eV
Doit être refroidi (77 K)
Disponible en grand volume
Géométrie : planaire, coaxiale, strippé
• Performances
∆E ≈ 2 keV à 1 MeV
Temps de montée des impulsions ≈ 0.5 µs
• Utilisation
spectrométrie gamma
- mesures d’activités de sources
- mesures d’abondances
- physique nucléaire

Détecteurs en Ge
strippé

35
C - Autres détecteurs à semi-conducteur
- CdTe (telluride de cadmium) : compact, assez bonne résolution, fonctionne à température ambiante
- HgI2 (iodure de mercure) : compact, résolution moyenne, fonctionne à température ambiante

36
V - Acquisition et analyseurs multi-canaux
1 - La chaîne d’acquisition
La configuration de la chaîne dépend des objectifs de la mesure (comptage, spectroscopie, déclencheur...)

Détecteur

Préampli.

Ampli.

Mise en
forme

Système de
traitement
de l’impulsion

Information

A retenir :
- Le signal fourni par le détecteur est généralement une quantité de charge Q.
- Le détecteur est alimenté soit directement soit à travers le préampli.
- Le préamplificateur est nécessaire si Q est trop faible
- La mise en forme est nécessaire pour la spectroscopie fine (ex. détecteurs Ge)
- Les éléments de la chaîne doivent être linéaires
- La définition et le réglage des éléments de la chaîne doivent être adaptés à l’objectif de la mesure
- Les signaux de la chaîne peuvent être utilisés pour d’autres analyses en parallèle (ex. datation, PSD)
- Le système de traitement de l’impulsion fourni un signal numérique
37
• Le préamplificateur
Localisé au plus près du détecteur (pour éviter les
capacités parasites du câblage), il sert surtout pour
l’adaptation d’impédance. La constante de temps est de
l’ordre de 50 - 100 µs.

V ≈ -Q/Cf

• Exemples de chaînes

- pour la spectroscopie
- pour la spectroscopie fine
- pour le comptage

Mise en forme

38
2 - L’analyseur multi-canaux

Impulsion après le « pulse stretcher »

A - Description générale
L’analyseur multi-canaux (MCA) convertit l’amplitude des
impulsions en valeur numérique appelée numéro de canal.
Si la réponse du MCA est linéaire alors la valeur du
numéro de canal (C) est proportionnelle à l’énergie
déposée dans le détecteur : E = a C + b
Le MCA compte pour chaque canal, le nombre d’impulsions
détectées => spectre

B - Réglage
Il faut régler le gain de l’amplificateur de la chaîne
pour couvrir la plage de mesure souhaitée. Le nombre
de canaux à utiliser ne doit être :
- trop petit => perte de résolution
- trop grand => pas assez de coups par canal

Fig 18-8 p 660

Il dépend donc de la résolution du détecteur

39
VI - Mesures
1 - Le bruit de fond
A - Origine :
• radioactivité naturelle
- 4 familles (232Th, 235U, 238U, 237Np)
- autres ( 40K, 14C, …)
- Radon, sous forme de gaz
• rayonnement cosmique
- muons atmosphériques
- neutrons secondaires (activation)
- varie avec l’altitude et la latitude
- protons (activation dans l’espace)
• radioactivité industrielle et militaire
B - Réduction du bruit de fond

µ

• blindage passif : ex. puit de plomb
• blindage actif (anticoïncidence) :
- puit de scintillateur inorganique
- scintillateur plastique
• mesures sous terre

µ

Det.

γ
Signal logique
(événement accepté ou refusé)
Tension de commande du seuil (comparateur)

40
2 - La statistique de comptage
• Incertitude sur un nombre d’événements
Un nombre d’événements détectés N suit une
statistique de Poisson avec une valeur moyenne N et un
écart-type : σ = √N
=> Erreur sur le taux de comptage R = N/T :
σ R = (√N)/T
=> Erreur relative : σR/R = 1/√N = 1/√(R T)
• Combinaison des erreurs

u = u(x, y, z, …) avec x ± σx, y ± σy, z ± σz, …
σu2 = (du/dx)2 σx2 + (du/dy)2 σy2 + (du/dz)2 σz2 + …
Exemple : mesure du nombre de coups dans une raie spectrale : σraie = √[Ntot + (N1 + N2) (C1-C2)2/4 ]
• Sensibilité et niveau de confiance d’une détection
- Niveau de confiance d’une mesure u (ex. flux), appelé « nombre de sigma » : nσ = u/σu
=> détection probable à ≈99.7% si nσ = 3.
- Sensibilité à nσ : flux ou taux de comptage minimum mesurable à nσ par un détecteur pendant une durée de
mesure donnée et compte tenu du taux de comptage du bruit de fond.
41
VII - Applications

137

Cs et 241Am-Be

1 - Mesures de flux
• Mesures
- spectroscopie gamma : identification d’isotopes
- contrôle de taux de particules : radioprotection, réacteur à fission,
accélérateurs…
- jauge à radio-isotope : mesure de niveau d’un liquide ou d’un matériau, contrôle
d’épaisseur, d’homogénéité, de densité d’un matériau
- détecteurs d’incendie, dosage de grisou (détecteurs à ionisation).
- traceurs : détection de fuites de liquide ou de gaz dans les canalisations
enterrées ou inaccessibles, étude des parcours souterrains de l’eau ou des
polluants, mouvement des sables et des vases.
- mesure de la teneur en Pb d’une peinture (fluorescence X).
- recherche fondamentale : caractérisation des noyaux
• Utilisation de sources radioactives et de rayonnements ionisants :
- étalonnage de détecteurs
- domaine agro-alimentaire : arrêt de la germination, destruction
des parasites et des micro-organismes par irradiation (électron, X, γ).
- domaine médical : stérilisation de matériaux, neutron-thérapie, radiothérapie
- domaine industriel : élaboration de matériaux plus résistants et plus légers.

42
43
Traceurs pour l’étude des plantes

Vérification de soudures

44
2 - Imagerie X et γ
- imagerie médicale : tomographie par positrons (scintigraphie),
radiologie,…
- radiographie industrielle X ou γ (gammagraphie) :
contrôle non destructif, recherche des défauts à
l’intérieur des matériaux, vérification des soudures.

QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.

- sécurité : ex. contrôle des bagages dans les aéroports
- Recherche fondamentale : ex. astrophysique nucléaire

Image de la galaxie à 1.8 MeV (26Al)

Container de source
pour la gammagraphie

Spectromètre de l’observatoire spatial INTEGRAL

45
46
3 - Notions de radioprotection
• Notions de base :
- Principe ALARA : « As Low As Reasonnably Achievable », aussi basse que raisonnablement possible
ALARA est une ligne de conduite en matière de gestion du personnel travaillant sous rayonnements ionisants : il
s'agit de réduire la dose individuelle et collective au sein des personnels des entreprises qui utilisent des sources de
rayonnements ionisants.
-> informer les travailleurs/les usagers de la présence de sources radioactives
-> réduire l’exposition des travailleurs/des usagers (éloignement, blindage)
-> organiser des consignes de sécurité (en relation avec l’ACMO et la direction de l’entreprise).
• Décret du 31/03/2003, Arrêté du 26 octobre 2005
- Dans les cas suivants : présence, manipulation, utilisation ou stockage de toute source radioactive ou d'un
générateur électrique de rayonnements ionisants, le chef d'établissement désigne au moins une
personne compétente en radioprotection (PCR) laquelle doit avoir suivi préalablement avec succès, une formation à la
radioprotection dispensée par des personnes certifiées (ex. APAVE).
- La manipulation d'appareils de radiographie ou de radioscopie industrielle ne peut être confiée qu'à des personnes
titulaires de Certificat d'Aptitude à Manipuler les Appareils de Radioscopie Industrielle et de Radiographie 
industrielle (CAMARI).
- Contrôles périodiques des installations qui utilisent des sources radioactives ou des générateurs de rayons X par
un organisme accrédité (ex. APAVE).

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  • 1. Licence Pro Métrologie et Qualité de la Mesure CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES Métrologie - Physique 1
  • 2. CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES PLAN DU COURS I - Les rayonnements "nucléaires" 1 - Notions de physique nucléaire 2 - Interactions des photons gamma avec la matière 3 - Pertes en énergie des particules chargées II - Les détecteurs à gaz 1 - Les chambres d’ionisation 2 - Les compteurs proportionnel 3 - Les compteurs Geiger-Mueller III - Les scintillateurs 1 - Principe 2 - Les scintillateurs organiques 3 - Les scintillateurs inorganiques 4 - Les photomultiplicateurs IV - Les détecteurs à semi-conducteur 1 - Principe 2 - Les détecteurs V - Acquisition et analyseurs multi-canaux 1 - La chaîne d’acquisition 2 - L’analyseur multi-canaux VI - Mesures 1 - Le bruit de fond 2 - La statistique de comptage VII - Applications 1 - Mesures de flux 2 - Imagerie X et gamma 3 - Notions de radioprotection 2
  • 3. I - Les rayonnements  "nucléaires" neutron 1 - Notions de Physique nucléaire proton A - Le noyau de l’atome a - Notation et définition - X : symbole de l’élément - A : nombre de masse (A = Z + N) - Z : numéro atomique - N : nombre de neutrons - e = {gs, *, m, …} ; état du noyau - Deux éléments sont : • des isobares => A identique • des isotopes => Z identique • des isotones => N identique noyau Ex. 12C*, 22Na, 60Co, Al 26m b - Energie de masse et masse atomique MAX c2 = Z M1H c2 + N Mn c2 - B(A,Z) avec B(A,Z) l’énergie de liaison Unités de masse atomique : M12C = 12 u = 12 g/mole Nombre d’atomes AX dans une masse mAX : nAX = NA mAX/MAX Masse molaire d’un élément naturel : MX = ∑A aA MAX aA : abondance isotopique Ex. Bore, 19.8% 10B et 80.2% 11B 3
  • 4. Mc2 B - La radioactivité Noyau instable (T1/2 petit) A constant a - Vallée de la stabilité Z Noyau stable (T1/2 grand) noyaux + riches en neutrons T1/2 : période de demi-vie de l’élément noyaux + riches en protons 4
  • 5. b - Les décroissances radioactives β- • Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons. A l’intérieur de ces noyaux, un neutron se transforme en proton en émettant un électron (particule β-) et un anti-neutrino. • L’énergie cinétique de l’électron émis est de l’ordre de la centaine de keV à quelques MeV. Rappel : 1 eV = 1,6 x 10 -19 J. E = Mc2 Co 60 99.88% 0.12% γ2 E2 = 2505.7 keV E1 = 1332.5 keV γ1 E0 = 0 keV • Après cette transformation (décroissance 60 Ni radioactive), le noyau se retrouve quelquefois dans un état excité. Il se désexcite en émettant un ou Ex. 60Co plusieurs photons (voir ex. décroissance du 60Co). => Energie des photons : Eγ1 = 1332.5 keV • L’énergie de ces photons est dans le domaine Eγ2 = 2505.7 - 1332.5 = 1173.2 keV 10 keV - 10 MeV. Ce sont des photons gamma. => Intensité relative des raies (par décroissance) Iγ1 = 99.88 + 0.12 = 100% Iγ2 = 99.88% 5
  • 6. c - Les décroissances radioactives β+ • Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons. A l’intérieur de ces noyaux, un proton se transforme en neutron en émettant un positron (particule β+) et un neutrino. E = Mc2 Al 26m • L’énergie cinétique du positron émis est de l’ordre de la centaine de keV à quelques MeV. Al 26 100% • Tout comme pour la décroissance β-, après une décroissance radioactive β+, le noyau peut se retrouver quelquefois dans un état excité. Il se désexcite en émettant un ou plusieurs photons gamma. E0 = 0 keV Mg 26 • Le positron est l’anti-particule de l’électron, il s’annihile avec celui-ci en émettant 2 photons γ : • e+ + e- γ+γ avec e+ γ Eγ = mec2 = 511 keV • Une source β+ émet des photons à 511 keV γ e6
  • 7. d - La capture électronique • Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons. A l’intérieur de ces noyaux, un électron de l’atome interagit avec un proton du noyau pour produire un neutron et un neutrino. • Ce mode de décroissance est parfois en compétition avec la décroissance β+ (Ex. décroissance du 22Na) • L’atome fils a perdu un électron ré-arrangement des couches électroniques émission X E Na 22 9.7% E1 = 1274.5 keV γ E0 = 0 keV 90.2% 0.1% Ne 22 Ex. 22Na -> Eγ = 1274.5 keV -> Iγ = 99.9% -> Iβ+ = 90.3% => Iγ511keV = 180.6% -> IX = 9.7% Electron Auger : Dans certains cas, l’énergie du photon X est cédée à un électron de la couche L ou M => Ee-Auger = EX - EL 7
  • 8. e - Autres décroissances - Décroissance α : Ce type de décroissance apparaît pour des noyaux trop lourds. Ces noyaux se dirigent vers la stabilité en émettant une particule α dont l’énergie cinétique est de quelques MeV. N.B. la particule α est le noyau de l’hélium. Exemple : 241 Am E α4 E4 Am 241 E3 Niveaux Eα (keV) I (%) 0 1 2 3 4 5544.5 5511.5 5485.6 5442.8 5388.2 0.34 0.22 84.5 13.0 1.6 E2= 59 keV E1 E0 α0 Np 237 Remarque : 241Am aussi utilisé comme source de photons à 59 keV - Décroissance par émission de p, de n… - Fission spontanée : Ex. Cf -> 252 Xe + 140 Ru + 4 n 108 8
  • 9. f - Taux de décroissances - Variation du nombre de noyaux radioactifs : avec τ : période ou vie moyenne λ : constante de décroissance λN : activité (nombre de décroissances par seconde) unité becquerel (Bq) Equation différentielle du 1er ordre avec T1/2 la demi-vie du radioélément T1/2 = τ ln(2) N(t) = N(0) e-t/τ = N(0) 2-t/T1/2 - Activité : A(t) = - dN/dt = N(t)/τ C’est le taux de décroissances par seconde - Taux d’émission de particules i Ri = dNi/dt = pi A(t) pi : probabilité d’émission de i Co (T1/2= 271.79 j) 57 136 keV 11% 89% EC 14 keV 0 keV Fe 57 9
  • 10. 2 - Interaction des photons gamma avec la matière A - L’effet photoélectrique • Le photon cède toute son énergie à un électron. A ces énergies, les photons interagissent principalement avec les électrons des couches internes (K, L). • Un électron des couches supérieures vient combler le trou produit par l’éjection de l’électron émission d’un photon X Ee- = Eγ - ELiaison Processus dominant aux basses énergies Eγ < 200 keV 10
  • 11. B - Diffusion Compton γ’ • Le photon cède une partie de son énergie à un électron (principalement) des couches externes de l’atome (considéré comme libre). • Il s’agit d’une interaction élastique. A partir des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement on montre : γ Processus dominant aux énergies intermédiaires • La probabilité de diffuser avec un certain angle θ dépend de l’énergie des photons incidents. Les photons de haute énergie diffusent plutôt avec de faibles angles. 11 La longueur du trait correspond à la probabilité de diffusion suivant un angle θ
  • 12. C - Création de paire e+ e• Le photon se matérialise en une paire électron positron. γ • L’énergie électromagnétique se transforme en énergie de masse et en énergie cinétique. Pour des raisons de conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie, ce processus ne peut se produire : (1) qu’au voisinage d’un noyau d’atome (2) que si l’énergie du photon > 2 mec2 = 1022 keV Processus dominant aux hautes énergies Généralement, après avoir perdu son énergie cinétique, le positron s’annihile avec un électron en produisant 2 photons γ d’énergie Eγ = mec2 = 511 keV. e+ γ γ e- 12
  • 13. D - Coefficient d’atténuation • La probabilité qu’un γ interagisse sur un parcours infiniment petit dx est : µ dx avec µ le coefficient d’atténuation linéïque µ = ψ + σ + κ • La variation du nombre de photons d’énergie donnée est : µ ψ σ κ avec λ le libre parcours moyen. détecteur source - coefficient d’atténuation massique : ξ = µ/ρ avec ρ la masse volumique du matériau (g/cm3) unités : cm2/g utile si la densité du matériau varie (ex. gaz) x 13
  • 14. 3 - Pertes en énergies des particules chargées A - Les électrons rapides a - Interactions des électrons - Interactions coulombiennes Ionisation et excitation d’atome e- + X -> e- + X+ + ee- + X -> e- + X* - Rayonnement de freinage (appelé aussi bremsstrahlung) e- + X -> e- + X + γ principe des générateurs de rayons X. 14
  • 15. c - Parcours des électrons ("range") La trajectoire des électrons dans la matière est erratique. I(t) : taux d’électrons arrivant sur le détecteur après avoir traversé une épaisseur t. Re : parcours ("range") Ex. dans le NaI (ρ = 3.67 g/cm3) Re(1MeV) ≈ 0.2 cm dans le Si (ρ = 2.33 g/cm3) Re(1MeV) ≈ 0.3 cm pour l’air, Re (1 MeV) ~ 6 m 15
  • 16. B - Les particules lourdes chargées a - Interactions des particules lourdes chargées - Interactions coulombiennes Ionisation et excitation d’atome α + X -> α + X+ + eα + X -> α + X* Perte en énergie spécifique des α dans l’air - Réactions nucléaires (rare) α + X -> Y + z b - Pertes en énergie par unité de longueur S : pouvoir d’arrêt linéaire ou perte en énergie spécifique S = -dE/dx 16
  • 17. c - Parcours des particules "lourdes" Trajectoire plutôt rectiligne I(t) : taux de particules arrivant sur le détecteur après avoir traversé une épaisseur t. Parcours des particules α dans différents matériaux 17
  • 18. II - Les détecteurs à gaz 1 - Les chambres d’ionisation A - Principe γ • Les particules chargées ou les photons créent des paires ion-e- dans le gaz. Le nombre de paires N± est proportionnel à Ed l’énergie déposée par la particule ionisante. I Cathode βAnode • N± ≈ Ed / W • Les charges issues de l’ionisation sont collectées en appliquant un champ électrique sur les électrodes. Mode impulsionnel : mesure de Q = e N± proportionnel à l’énergie déposée par une particule (spectroscopie). Mode continu : mesure du courant I proportionnel au taux de radiations. I = e dN±/dt ≈ e dNrad/dt <Ed>/W Gaz W (eV/paire) e- rapides α Ar He Air CH4 26.4 41.3 33.8 27.3 26.3 42.7 35.1 29.1 18
  • 19. B - collection des charges - Si le champ électrique n’est pas suffisant les ions peuvent se recombiner e- + X+ -> X e- + Y -> Y- puis Y- + X+ -> Y + X -> dans la colonne d’ionisation -> dans le volume Pertes de charges courant I faible I + + - + - + +- + - + +-+ - + +++ -+ ++ - + + + + -+ - +- + + + E = V/d - Si le champ E est suffisant, les ions n’ont pas le temps de se recombiner. toutes les charges sont collectées. I = e dN±/dt ∝ dNrad/dt - Temps de collection des charges : Dépend de la pression et du champ électrique pour P=1 atm et E=104 V/m temps de transit des ions (d=1 cm) ≈ 10 ms temps de transit des e- (d=1 cm) ≈ 1 µs 19
  • 20. C - Mesure d’impulsions Utilisé en spectroscopie (obsolète) ∆Q = e N± = e Edep/W ∆V = ∆Q/C Conditions : - RC >> temps de collection des charges - RC << 1/fréquence d’arrivée des particules D - Applications • Moniteur de radiation en radioprotection sensible aux X et γ (E>20 keV) mesure directe du taux d’exposition R en C/(kg s) : R = I/Mair • Calibration de sources radioactives • Mesure de l’activité de gaz radioactifs 20
  • 21. 2 - Les compteurs proportionnels les charges supplémentaires modifient E A - Principe - Si le champ électrique E > 106 V/m les électrons secondaires produisent une avalanche de paires e-ions e- + X -> e- + X+ + e- chambre d’ionisation multiplication par M des charges Q = M e N± = M e Ed / W mode impulsionnel - Géométrie cylindrique Champs électrique : E(r) = V/[r ln(Rc/Ra)] Ex. V = 2000 V, Ra = 80 µm, Rc = 1 cm => E(Ra) ≈ 5 x 106 V/m 21
  • 22. B - Caractéristiques et performances - Gaz utilisés : gaz avec faible coefficient d’attachement des électrons (pour éviter e- + Y -> Y-) gaz nobles (He, Ar, Ne, Kr, Xe) mélange 90% argon et 10% méthane - Facteur multiplicatif dépend de la géométrie, de la pression et de la tension d’alimentation : M ∝ exp(V) - Les impulsions en tension : Elles sont exponentielles avec un temps de monté égal au temps de collection des charges τc ≈ µs et une échelle de temps de décroissance τ = RC. Condition : τ >> τc - La hauteur des impulsions Vmax = Q/C Vmax ∝ Ed (énergie déposée par la particule) spectroscopie 22
  • 23. - Résolution en énergie Elle est limitée par les fluctuations statistiques du nombre de charges initialement produit par le rayonnement et par les fluctuations statistiques du facteur multiplicatif. On montre : ∆E ∝ √E Mesures : ∆E/E ≈ 11 à 13% à 5.9 keV - Efficacité de détection : εd = (nombre d’impulsions détectées) / (nombre de γ incidents) L’efficacité de détection dépend de l’énergie, du gaz utilisé et de la nature & de l’épaisseur des parois de l’enceinte. Domaine en énergie : 0.25 - 100 keV Processus dominant : effet photoélectrique 23
  • 24. 3 - Les compteurs Geiger-Mueller les charges supplémentaires modifient E A - Principe • Tension plus grande que les compteurs proportionnels. • Facteur multiplicatif/avalanche ≈ 106 - 108 • Grande quantité de charges secondaires/avalanche (a) excitation des atomes - photons UV - avalanches secondaires (b) écrantage du champ électrique chambre d’ionisation La quantité de charges collectées ≈ 109 - 1010 est indépendante de l’énergie déposée par la particule initiale. 24
  • 25. B - Mise en œuvre et performances - Gaz : gaz nobles (He, Ar, Xe, Kr) pression ≈ 0.1 atm. - Impulsion : le temps de collection des charges est de l’ordre de quelques µs. => µs << RC << 100 µs pour éviter la saturation C - Application - compteurs de particules chargées : pour les particules qui traversent l’enceinte (efficacité de 100%). - compteurs de gamma Rq: incertitude d’un facteur 2 ou 3 sur le taux d’exposition. "Sensibilité" de 2 moniteurs de rayons γ /! "Sensibilité" = Rmesuré / Rréel facteur de correction du taux d’exposition en fonction de l’énergie des photons. 25
  • 26. III - Les scintillateurs 1 - Principe Dans le scintillateur, les particules chargées produisent des photons de scintillation. Les photons de scintillation qui atteignent la photocathode génèrent des électrons (photoélectrons) par effet photoélectrique. Ces photoélectrons déclenchent une cascade d’électrons dans le photomultiplicateur (PM). Le signal est une quantité de charge Q récupérée sur l’anode du PM. γ scintillateur photons de scintillation photocathode photoélectron dynodes photomultiplicateur (PM) +HV Q ∝ Nphotoélectrons ∝ Nphotonscintillation ∝ Edéposée anode Le scintillateur doit : - convertir efficacement l’énergie déposée en photons de scintillation - être transparent aux longueurs d’onde des photons de scintillation - avoir un indice de réfraction ~1.5 pour transmettre les photons de scintillation au PM Signal (Q) Le photomultiplicateur doit : - convertir efficacement les photons de scintillation en photoélectrons au niveau de la photocathode - produire une quantité de charge par photoélectron suffisante pour donner un signal mesurable. 26
  • 27. 2 - Les scintillateurs organiques 0.7 Matériaux composés de H, C, O (ex. Anthracène C14H10, plastique…) de faibles densités (~1 g/cm3) sous forme de solide, de gel ou de liquide. • Production de lumière ("Light output") L ≈ Nϕ hc/<λ> Le nombre de photons de scintillation (Nϕ) est proportionnel à l’énergie déposée. Naton 136 0.5 NE 102A fluorescence 0 0.4 I/I Les particules chargées de haute énergie perdent leur énergie en excitant les molécules du scintillateur organique. Ces molécules se désexcitent avec une constante de temps de quelques nanosecondes en émettant des photons de scintillation (fluorescence) dans le domaine du visible. NE 111 0.6 0.3 0.2 0.1 0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 temps (ns) Taux d’émission de photons de scintillation en fonction du temps • Efficacité de scintillation S = L/E S ~2-6% à peu près constante pour les électrons (E > 0.1 MeV). • Application : ces matériaux sont légers (HCO) Les scintillateurs sont plutôt utilisés pour détecter les particules chargées. 27
  • 28. • Exemple d’utilisation de scintillateur organique Télescope à muons avec deux scintillateurs plastiques 28
  • 29. 3 - Les scintillateurs inorganiques Matériaux cristallins relativement denses (de 2.5 à 7.1 g/cm3) avec ajout d’impuretés. Exemples : NaI(Tl), CsI(Na), BGO... Les particules chargées de haute énergie perdent leur énergie en excitant le cristal. Les photons de scintillation sont émis dans les désexcitations avec des échelles de temps de ≈ 0.1 µs. Spectre en émission de plusieurs scintillateurs inorganiques Réponses spectrales de photomultiplicateurs 29
  • 30. Performances des scintillateurs inorganiques • Efficacité de scintillation (S = L/E) Elle est généralement 2 à 10 fois meilleure que les scintillateurs organiques. • Temps de décroissance (τ) Ces scintillateurs sont ~10 à 1000 fois plus lents que les scintillateurs organiques. • Propriétés de scintillateurs inorganiques communs Matériau ρ(g/cm3) λmax(nm) τ(µs) Nϕ/MeV S(%) NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) LiI(Eu) BGO 3.67 4.51 4.51 4.08 7.13 415 540 420 470 505 0.23 1.00 0.63 1.40 0.30 38000 52000 39000 11000 8200 11.3 11.9 11.4 2.8 2.1 NE102A 1.03 423 0.002 10000 3.0 Scintillateur plastique pour comparaison 30
  • 31. • Efficacité : εp : efficacité de pic ou d’absorption totale εp = Na / Ni Na : nombre de photons totalement absorbés dans le volume sensible et Ni, nombre de photons incidents. εap : efficacité absolue de pic ou d’absorption totale εap = Na / Ne Ne le nombre de photons émis par la source. Coefficient d’atténuation effet photoélectrique ­1 coefficient d'atténuation linéaire (cm ) Les scintillateurs inorganiques absorbent assez bien l’énergie des photons gamma grâce à leur grande densité et valeur du coefficient d’atténuation linéique. Ils ont donc une bonne efficacité de pic et sont utilisés en spectroscopie gamma. diffusion Compton 2 10 création de paire Total NaI Total NE 102A 101 100 10­1 10­2 ­2 10 10­1 100 Energy (MeV) 101 Co 60 Le NaI sert de standard pour la calibration en efficacité de pic. - Source : 60Co (1332 keV) - Distance source-scintillateur : 25 cm - Taille du scintillateur de référence : 76.2 mm x 76.2 mm (3 in. x 3 in.) => εap, ref = 1.2 x 10-3 25 cm εrp : efficacité relative de pic ou d’absorption totale d’un détecteur εrp = εap(1332 keV, 25 cm) / εap, ref 31
  • 32. 4 - Les photomultiplicateurs • Une fraction f des Nϕ photons de scintillation va atteindre la photocathode. Le nombre de photoélectrons produits par effet photoélectrique dans la photocathode est : Nϕe = εQ f Nϕ avec εQ est l’efficacité quantique (εQ ≈ dizaines de %) • Les photoélectrons sont accélérés Les photoélectrons produisent dans dynode. Les électrons secondaires l’anode, le nombre de charge est : Q et amenés vers une première dynode par un système d’électrodes focalisantes. la première dynode δ électrons secondaires qui sont accélérés vers la seconde produisent eux aussi chacun δ électrons sur la dynode suivante. Au niveau de = G Nϕe ≈ δn Nϕe Tension à la sortie du photomultiplicateur • n : nombre de dynodes, δ ~ 5-55, gain G ≈ 103 - 107 ~ +100 V Vmax Dans les deux cas ∝ Q ∝ Energie déposée par la particule 32
  • 33. IV - Les détecteurs à semi-conducteur 1 - Principe • Un photon γ cède la totalité ou une partie de son énergie à un ou plusieurs électrons. Ces derniers créent par collision des paires électrons-trous dans le semi-conducteur. Ces charges sont collectées par un champs électrique. La quantité de charges obtenues est proportionnelle à l’énergie déposée par le photon incident. Q ∝ Ncharges ∝ Edéposée • Pour pouvoir collecter les charges il faut appliquer une haute tension aux bornes du semi-conducteur. • L’avantage d’un tel détecteur est que pour un dépôt en énergie identique, le nombre de porteurs d’information (paires electrons-trous) est plus important que pour les scintillateurs (nombre de photoélectrons). Exemple : εNaI = 170 eV/photoeεGe = 2.96 eV/trou-e∆E (Ge) / ∆E (NaI) ≈ 0.03 • L’incertitude relative (≈∆E/E) sur l’énergie mesurée s’en trouve réduite. • Utilisation en spectroscopie 33
  • 34. 2 - Les détecteurs A - Détecteurs en silicium • Caractéristiques Si (Z = 14) : ρ = 2.33 g/cm3 ε ≈ 3.62 eV Disponible en couche mince Diodes en Si Détecteur en Si strippé • Performances ∆E ≈ 0.25 keV à 5.9 keV Temps de montée des impulsions ≈ 100-500 ns • Utilisation - détecteurs X - détection de particules chargées - moniteur de radiations 34
  • 35. B - Détecteurs en germanium • Caractéristiques Ge (Z = 32) : ρ = 5.32 g/cm3 ε ≈ 2.96 eV Doit être refroidi (77 K) Disponible en grand volume Géométrie : planaire, coaxiale, strippé • Performances ∆E ≈ 2 keV à 1 MeV Temps de montée des impulsions ≈ 0.5 µs • Utilisation spectrométrie gamma - mesures d’activités de sources - mesures d’abondances - physique nucléaire Détecteurs en Ge strippé 35
  • 36. C - Autres détecteurs à semi-conducteur - CdTe (telluride de cadmium) : compact, assez bonne résolution, fonctionne à température ambiante - HgI2 (iodure de mercure) : compact, résolution moyenne, fonctionne à température ambiante 36
  • 37. V - Acquisition et analyseurs multi-canaux 1 - La chaîne d’acquisition La configuration de la chaîne dépend des objectifs de la mesure (comptage, spectroscopie, déclencheur...) Détecteur Préampli. Ampli. Mise en forme Système de traitement de l’impulsion Information A retenir : - Le signal fourni par le détecteur est généralement une quantité de charge Q. - Le détecteur est alimenté soit directement soit à travers le préampli. - Le préamplificateur est nécessaire si Q est trop faible - La mise en forme est nécessaire pour la spectroscopie fine (ex. détecteurs Ge) - Les éléments de la chaîne doivent être linéaires - La définition et le réglage des éléments de la chaîne doivent être adaptés à l’objectif de la mesure - Les signaux de la chaîne peuvent être utilisés pour d’autres analyses en parallèle (ex. datation, PSD) - Le système de traitement de l’impulsion fourni un signal numérique 37
  • 38. • Le préamplificateur Localisé au plus près du détecteur (pour éviter les capacités parasites du câblage), il sert surtout pour l’adaptation d’impédance. La constante de temps est de l’ordre de 50 - 100 µs. V ≈ -Q/Cf • Exemples de chaînes - pour la spectroscopie - pour la spectroscopie fine - pour le comptage Mise en forme 38
  • 39. 2 - L’analyseur multi-canaux Impulsion après le « pulse stretcher » A - Description générale L’analyseur multi-canaux (MCA) convertit l’amplitude des impulsions en valeur numérique appelée numéro de canal. Si la réponse du MCA est linéaire alors la valeur du numéro de canal (C) est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur : E = a C + b Le MCA compte pour chaque canal, le nombre d’impulsions détectées => spectre B - Réglage Il faut régler le gain de l’amplificateur de la chaîne pour couvrir la plage de mesure souhaitée. Le nombre de canaux à utiliser ne doit être : - trop petit => perte de résolution - trop grand => pas assez de coups par canal Fig 18-8 p 660 Il dépend donc de la résolution du détecteur 39
  • 40. VI - Mesures 1 - Le bruit de fond A - Origine : • radioactivité naturelle - 4 familles (232Th, 235U, 238U, 237Np) - autres ( 40K, 14C, …) - Radon, sous forme de gaz • rayonnement cosmique - muons atmosphériques - neutrons secondaires (activation) - varie avec l’altitude et la latitude - protons (activation dans l’espace) • radioactivité industrielle et militaire B - Réduction du bruit de fond µ • blindage passif : ex. puit de plomb • blindage actif (anticoïncidence) : - puit de scintillateur inorganique - scintillateur plastique • mesures sous terre µ Det. γ Signal logique (événement accepté ou refusé) Tension de commande du seuil (comparateur) 40
  • 41. 2 - La statistique de comptage • Incertitude sur un nombre d’événements Un nombre d’événements détectés N suit une statistique de Poisson avec une valeur moyenne N et un écart-type : σ = √N => Erreur sur le taux de comptage R = N/T : σ R = (√N)/T => Erreur relative : σR/R = 1/√N = 1/√(R T) • Combinaison des erreurs u = u(x, y, z, …) avec x ± σx, y ± σy, z ± σz, … σu2 = (du/dx)2 σx2 + (du/dy)2 σy2 + (du/dz)2 σz2 + … Exemple : mesure du nombre de coups dans une raie spectrale : σraie = √[Ntot + (N1 + N2) (C1-C2)2/4 ] • Sensibilité et niveau de confiance d’une détection - Niveau de confiance d’une mesure u (ex. flux), appelé « nombre de sigma » : nσ = u/σu => détection probable à ≈99.7% si nσ = 3. - Sensibilité à nσ : flux ou taux de comptage minimum mesurable à nσ par un détecteur pendant une durée de mesure donnée et compte tenu du taux de comptage du bruit de fond. 41
  • 42. VII - Applications 137 Cs et 241Am-Be 1 - Mesures de flux • Mesures - spectroscopie gamma : identification d’isotopes - contrôle de taux de particules : radioprotection, réacteur à fission, accélérateurs… - jauge à radio-isotope : mesure de niveau d’un liquide ou d’un matériau, contrôle d’épaisseur, d’homogénéité, de densité d’un matériau - détecteurs d’incendie, dosage de grisou (détecteurs à ionisation). - traceurs : détection de fuites de liquide ou de gaz dans les canalisations enterrées ou inaccessibles, étude des parcours souterrains de l’eau ou des polluants, mouvement des sables et des vases. - mesure de la teneur en Pb d’une peinture (fluorescence X). - recherche fondamentale : caractérisation des noyaux • Utilisation de sources radioactives et de rayonnements ionisants : - étalonnage de détecteurs - domaine agro-alimentaire : arrêt de la germination, destruction des parasites et des micro-organismes par irradiation (électron, X, γ). - domaine médical : stérilisation de matériaux, neutron-thérapie, radiothérapie - domaine industriel : élaboration de matériaux plus résistants et plus légers. 42
  • 43. 43
  • 44. Traceurs pour l’étude des plantes Vérification de soudures 44
  • 45. 2 - Imagerie X et γ - imagerie médicale : tomographie par positrons (scintigraphie), radiologie,… - radiographie industrielle X ou γ (gammagraphie) : contrôle non destructif, recherche des défauts à l’intérieur des matériaux, vérification des soudures. QuickTime™ et un décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. - sécurité : ex. contrôle des bagages dans les aéroports - Recherche fondamentale : ex. astrophysique nucléaire Image de la galaxie à 1.8 MeV (26Al) Container de source pour la gammagraphie Spectromètre de l’observatoire spatial INTEGRAL 45
  • 46. 46
  • 47. 3 - Notions de radioprotection • Notions de base : - Principe ALARA : « As Low As Reasonnably Achievable », aussi basse que raisonnablement possible ALARA est une ligne de conduite en matière de gestion du personnel travaillant sous rayonnements ionisants : il s'agit de réduire la dose individuelle et collective au sein des personnels des entreprises qui utilisent des sources de rayonnements ionisants. -> informer les travailleurs/les usagers de la présence de sources radioactives -> réduire l’exposition des travailleurs/des usagers (éloignement, blindage) -> organiser des consignes de sécurité (en relation avec l’ACMO et la direction de l’entreprise). • Décret du 31/03/2003, Arrêté du 26 octobre 2005 - Dans les cas suivants : présence, manipulation, utilisation ou stockage de toute source radioactive ou d'un générateur électrique de rayonnements ionisants, le chef d'établissement désigne au moins une personne compétente en radioprotection (PCR) laquelle doit avoir suivi préalablement avec succès, une formation à la radioprotection dispensée par des personnes certifiées (ex. APAVE). - La manipulation d'appareils de radiographie ou de radioscopie industrielle ne peut être confiée qu'à des personnes titulaires de Certificat d'Aptitude à Manipuler les Appareils de Radioscopie Industrielle et de Radiographie  industrielle (CAMARI). - Contrôles périodiques des installations qui utilisent des sources radioactives ou des générateurs de rayons X par un organisme accrédité (ex. APAVE). 47